Abordagens de biologia de sistemas aplicadas ao aprimoramento de meios de cultivo para bactérias de crescimento lento e à prospecção de microrganismos promotores de crescimento vegetal em soja

Abstract

Microrganismos são capazes de promover benefícios às plantas, como aumento da produtividade, defesa contra patógenos, mitigação de estresses abióticos e maior eficiência no uso de nutrientes. A soja é uma das culturas mais importantes do mundo e apresenta elevada demanda por fertilizantes. Entretanto, o aumento dos custos dos fertilizantes nitrogenados e as preocupações relacionadas às emissões de gases de efeito estufa e à poluição das águas têm impulsionado o uso de inoculantes microbianos como alternativa sustentável para reduzir a dependência de insumos agrícolas e os impactos ambientais. Apesar disso, ainda são necessárias metodologias mais rápidas e eficientes para a prospecção de microrganismos promotores de crescimento vegetal (MPCV). Nesse contexto, ferramentas de bioinformática e biologia de sistemas representam abordagens promissoras.Assim, este trabalho teve como objetivo avaliar a abordagem de biologia de sistemas denominada Ecologia Reversa como ferramenta para a prospecção de MPCV e para o aprimoramento de meios de cultivo microbianos. Inicialmente, bactérias foram isoladas de amostras de solos associados e não associados à vegetação em formações campestres e florestais do bioma Cerrado, em Minas Gerais, Brasil. Posteriormente, abordagens baseadas na topologia de redes metabólicas foram utilizadas para otimizar meios de cultivo de isolados que apresentavam crescimento lento ou dificuldade de manutenção em laboratório. Além disso, essa mesma abordagem foi empregada para investigar seu potencial na identificação de microrganismos promotores de crescimento vegetal para a cultura da soja. Ao todo, foram isolados 207 microrganismos pertencentes aos filos Pseudomonadota, Bacillota, Actinobacteriota, Acidobacteriota e Myxococcota. Os resultados demonstraram que a distribuição dessas espécies esteve associada aos parâmetros edáficos de cada fitofisionomia. Além disso, duas novas espécies dos gêneros Leifsonia e Cohnella foram identificadas, apresentando potencial para promoção de crescimento vegetal. As análises baseadas em redes metabólicas revelaram auxotrofias relacionadas ao metabolismo primário, permitindo o aprimoramento dos meios de cultivo. Para o isolado pertencente ao filo Acidobacteriota, apenas o selenito influenciou significativamente o crescimento. Para o isolado do gênero Methylobacterium, o meio B5 apresentou efeito positivo, enquanto para Cohnella sp., tanto B5 quanto selenito foram relevantes. A suplementação dos meios resultou em aumento consistente da densidade óptica, indicando maior produção de biomassa. Também foram identificadas fontes de carbono não usuais, como estaquiose e galactano, para o isolado pertencente ao filo Acidobacteriota. A aplicação da Ecologia Reversa na seleção de MPCV para soja mostrou-se eficiente, sendo capaz de recuperar gêneros já descritos na literatura e também prospectar isolados pertencentes a grupos ainda pouco explorados comercialmente, como o isolado PARNA 12/2, pertencente ao gênero Dyella. Em ensaios conduzidos sob déficit hídrico, esse isolado favoreceu o aprofundamento do sistema radicular e a manutenção do crescimento da parte aérea, além de promover alterações na redistribuição de assimilados de carbono em condições de estresse. De acordo com os parâmetros tradicionais de seleção atualmente empregados, esse isolado não seria considerado um potencial inoculante, evidenciando a capacidade da abordagem em identificar microrganismos promissores não detectados por métodos convencionais. Além disso, a ferramenta forneceu informações relevantes para compreender as interações entre a soja e esses microrganismos, incluindo possíveis mecanismos envolvidos na mitigação de estresses ambientais que impactam negativamente a produtividade. Em conclusão, este estudo demonstra, pela primeira vez, o potencial de ferramentas de biologia de sistemas para a seleção rápida e eficiente de microrganismos promotores de crescimento vegetal. Palavras-chave: Fitofisionomias do Cerrado, Rizobactérias, Topologia de redes metabólicas, Auxotrofias metabólicas.Microorganisms can promote several benefits to plants, including increased productivity, protection against pathogens, mitigation of abiotic stresses, and improved nutrient availability and use efficiency. Soybean is one of the most important crops worldwide and presents a high demand for fertilizers. However, the increasing costs of nitrogen fertilizers and concerns regarding greenhouse gas emissions and water pollution have stimulated the use of microbial inoculants as sustainable alternatives to reduce agricultural inputs and environmental impacts. Despite this, new methodologies that enable faster and more efficient prospection of plant growth-promoting microorganisms (PGPM) are still required. In this context, bioinformatics and systems biology approaches represent promising tools. Thus, this study aimed to evaluate the systems biology approach known as Reverse Ecology as a tool for the prospection of PGPM and for the improvement of microbial culture media. Initially, bacteria were isolated from soil samples associated and not associated with vegetation in grassland and forest formations of the Cerrado biome in Minas Gerais, Brazil. Subsequently, approaches based on metabolic network topology were employed to optimize the culture media of isolates that exhibited slow growth or difficulties in laboratory maintenance. In addition, the same approach was applied to investigate its potential for identifying PGPM for soybean cultivation. A total of 207 microorganisms belonging to the phyla Pseudomonadota, Bacillota, Actinobacteriota, Acidobacteriota, and Myxococcota were isolated. Our results demonstrated that the distribution of these species was associated with the edaphic characteristics of each phytophysiognomy. Furthermore, two novel species belonging to the genera Leifsonia and Cohnella were identified and showed potential as plant growth-promoting microorganisms. Analyses based on metabolic network topology revealed metabolic auxotrophies associated with primary metabolism, enabling the improvement of culture media formulations. For the isolate belonging to the phylum Acidobacteriota, only selenite significantly affected growth. For the Methylobacterium isolate, B5 medium was significant, whereas both B5 and selenite influenced the growth of Cohnella sp. Supplementation of culture media consistently increased optical density, indicating enhanced biomass production. In addition, unusual carbon sources, such as stachyose and galactan, were identified for the Acidobacteriota isolate. The application of Reverse Ecology for the selection of PGPM for soybean proved to be effective, recovering genera already recognized in the literature as soybean growth promoters and enabling the prospection of isolates belonging to still poorly explored genera, such as the isolate PARNA 12/2, assigned to the genus Dyella. Under water deficit conditions, this isolate promoted deeper root system development and maintained shoot growth, in addition to altering carbon assimilate redistribution under stress conditions. Notably, according to traditional screening parameters currently employed, this isolate would not be considered a potential inoculant under the conditions evaluated in this study, highlighting the ability of this approach to identify promising microorganisms overlooked by conventional methods. Furthermore, the approach provided insights into soybean microorganism interactions, including possible mechanisms involved in mitigating environmental stresses that negatively affect crop productivity. In conclusion, this study demonstrates, for the first time, the potential of systems biology tools for the rapid and efficient selection of plant growth- promoting microorganisms. Keywords: topologies, Cerrado phytophysiognomies, Metabolic auxotrophies. Rhizobacteria, Metabolic network.